Konsep CDMA

KONSEP SPEKTRUM TERSEBAR

(SPREAD SPECTRUM)

1.      Kinerja Spektrum Tersebar

Sistem telekomunikasi dengan teknologi spektrum tersebar mula-mula dikembangkan di kalangan militer karena memiliki sifat-sifat istimewa yang cocok diterapkan pada bidang tersebut, yaitu tahan terhadap derau, mampu menembus jamming dan kerahasiaan data yang tinggi.

Sekarang ini teknologi spektrum tersebar sudah pula di-kembangkan di luar kalangan militer. Pengembangan sistem ini terutama untuk sistem-sistem akses jamak.

Sistem spektrum tersebar memiliki keistimewaan yang khas, yaitu sinyal yang ditransmisikan memiliki lebar pita yang jauh lebih besar dari lebar pita informasi, dimana penyebaran spektrum tersebut dilakukan oleh fungsi penyebar tersendiri, yang tidak
tergantung pada informasi yang disampaikan.

Konsep komunikasi spektrum tersebar didasarkan pada teori C.E. Shannon untuk kapasitas saluran, yaitu:

                                                                            (.1)

dimana:

C     =  kapasitas kanal transmisi (bit/detik)

W    =  lebar pita frekuensi transmisi (Hz)

N     =  daya derau (watt)

S      =  daya sinyal (watt)

Dari teori tersebut terlihat bahwa untuk menyalurkan informasi yang lebih besar pada saluran berderau dapat ditempuh dengan dua cara, yaitu:

1.                  Dengan cara konvensional, dimana W kecil dan S/N besar.

2.                  Cara penyebaran spektrum, dimana W besar dan  S/N kecil.

Sistem spektrum tersebar yang paling banyak dipakai sekarang ini adalah Direct Sequence Spektrum terbesar (DSSS). Pada sistem ini, sinyal pembawa dimodulasi secara langsung (direct) oleh data terkode. Sebagai pengkode data dipakai deret kode (code sequence) yang memiliki sifat random.

Pada pemancar DSSS, data dikodekan dengan deret kode berkecepatan tinggi. Pada proses pengkodean inilah terjadi penyebaran spektrum. Sinyal spektrum tersebar ini kemudian dimodulasi BPSK dan ditransmisikan.

Penerima DSSS terdiri dari dua bagian, yaitu bagian sinkronisasi deret kode dan demodulator BPSK. Ketika sinkronisasi deret telah tercapai, akan terjadi peristiwa pemampatan spektrum sinyal DSSS ke data base band semula. Sinyal hasil pemampatan spektrum ini adalah sinyal BPSK yang siap untuk didemodulasikan. Teknik dasar spektrum tersebar ini ditunjukkan oleh gambar 3.1.

Gambar 1 Teknik dasar spektrum tersebar

Parameter-parameter   yang   dipakai   untuk   mengukur  kinerja sistem spektrum tersebar adalah:

1.    Probability of error

3.    Jamming Margin

Kemampuan sistem spektrum tersebar untuk mengantisipasi adanya interferensi dengan intensitas tinggi atau jammer ditentukan oleh kriteria jamming margin.

            JM= G - [L_sys + (S/N)_out]                                                                    (5)

dimana:

JM = jamming margin (10 log JM dB)

L_sys = rugi-rugi implementasi sistem

(S / N)_out =  S / N keluaran  penerima   yang  disyarat-kan/diijinkan

1.1  Konfigurasi DSSS dan Pembangkitan Deretan Pseudonoise

Pada direct seguence sinyal pembawa yang telah termodulasi digital dimodulasi lagi oleh deretan kode biner dengan kecepatan tinggi yang dibangkitkan oleh PRG (Pseudo Random Ge-nerator). PRG tersebut dibangkitkan sedemikian rupa sehingga menyerupai sinyal random.

Penyebaran BPSK diperoleh dengan mengalikan hasil modulasi digital                S_d(t) = cos[W₀t + q_d(t)] dengan PN NRZ, c(t). Laju bit dari c(t) yang disebut laju chip, jauh lebih besar dari laju bit dari data d(t). Lebar pita frekuensi sinyal BPSK adalah 2Rb.

Sinyal yang ditransmisikan:

S_t(t) = akar (2P) * c(t)cos[W₀t + q_d(t)]                                                            (6)

mempunyai kecepatan yang sama dengan kecepatan kode dari PRG, BW_S = 2Rc. Pada proses spreading ini terjadi penyebaran daya sinyal yang disebar pada 10 - 1000 kali lebar pita frekuensi asli dimana rapat spektral dayanya berkurang 10 - 1000 kali pula.

Gambar  4 Spektrum sinyalsebelum dan sesudahpenyebaran

Despreading dilakukan dengan memodulasi sinyal yang diterima penerima dengan replika kode spreading yang cocok, yaitu yang sama dengan kode spreading. Pada proses despreading ini harus digenerasi sinyal pembawa dengan frekuensi yang sama seperti pada modulator dan replika kode spreading yang sama frekuensi dan fasanya (sinkronisasi). Sinyal yang diterima pada demodulator:

S_r(t) = C(t - Td)cos[W₀t + q_d(t - T_d) + j]                                      (7)

keluaran dari mixer adalah:

S_m(t) = C(t - T_d) C(t - T_d)cos[W₀t + q_d(t - T_d) + j]                       (8)

C’(t) = C(t-Td) adalah replika urutan kode pada PRG lokal. Jika sinkronisasi tercapai, maka C(t) = C’ (t), sehingga C(t)C’(t) = C²(t) = 1. Keluaran mixer menjadi:

S_m(t) = cos[W₀t + q_d(t)]                                                              (9)

Setelah itu informasi diperoleh kembali dengan demodulasi fasa.

Penolakan jamming atau interferensi pada DSSS dapat dijelaskan sebagai berikut:

Misalkan sinyal jamming : _j cos[W₀t + y]                                              (10)

Pada masukan penerima selain sinyal yang diinginkan juga terdapat sinyal           Jamming / interferensi:

S_r(t) = C(t)cos[W₀t + q_d(t)] + _j cos[W₀t + y]                       (11)

Apabila C’(t) pada PRG lokal sinkron dengan C(t), maka keluaran mixer menjadi:

S_m(t) = cos[W₀t + q_d(t)] + _j C(t)cos[W₀t + y]                      (12)

Sinyal informasi mengalami despreading dan kerapatan spektral dayanya naik kembali, sedangkan jamming tidak mengalami des-preading sehingga pita frekuensinya melebar dan spektral daya-nya menurun. Sesudah melalui BPF, daya jamming yang masuk dalam sinyal sudah sangat kecil dan tidak berarti lagi.

Deretan pseudonoise sesuai dengan namanya, adalah deret-an kode biner yang menunjukkan sifat-sifat random yang mirip dengan derau. Deretan pseudonoise ini dihasilkan oleh PRG yang pada umumnya dibentuk dari susunan resister geser (shift re-gister) dimana beberapa keluaran register geser tersebut diumpan-balikkan ke masukan register geser pertama melalui sebuah parity generator (berupa gerbang EXOR) sedemikian rupa sehingga ke-luaran register geser terakhir menghasilkan deretan kode dengan panjang perioda deretan maksimal dan bersifat 'random' (pseudorandom). Hubungan umpan balik yang berbeda akan meng-hasilkan keluaran kode yang berbeda pula. Periode kode yang dibentuk oleh generator PN adalah:

T_pn = LT_c                                                                                                                                (13)

dimana T_c adalah durasi chip dan L adalah jumlah chip dalam suatu perioda

L=2^m - 1                                                                                                 (14)

Alasan penting digunakannya deretan kode semacam ini adalah karakteristik otokorelasinya yang hampir menyerupai derau.

2.  PENGERTIAN DAN KONSEP CDMA     

Masalah yang dihadapi dunia komunikasi selular saat .ini adalah makin meningkatnya jumlah pengguna yang menggunakan pita frekuensi yang terbatas secara bersama-sama. Untuk mengatasi masalah ini harus dicari cara bagaimana meningkatkan kapasitas tanpa harus mengurangi kualitas pelayanan secara berlebihan.

Sistem selular sekarang ini menggunakan sistem pengkanalan dengan pita 30 khz setiap kanalnya, sistem ini dikenal sebagai sistem FDMA (Freguency Division Multiple Access). Untuk memaksimalkan kapasitas, sistem selular FDMA menggunakan antena berarah dan sistem reuse frequency yang rumit.

Untuk lebih meningkatkan kapasitas, digunakan sistem akses jamak digital yang disebut TDMA (Time Division Multiple Access). Sistem ini menggunakan pengkanalan dan reuse frequency yang sama dengan sistem FDMA dengan tambahan elemen time sharing. Setiap kanal dipakai bersama oleh beberapa pengguna menurut slot waktunya masing-masing.

Code Division Multiple Access (CDMA) adalah teknik akses jamak berdasarkan teknik komunikasi spektrum tersebar, pada kanal frekuensi yang sama dan dalam waktu yang sama digunakan kode-kode yang unik untuk mengidentifikasi masing-masing pengguna. Hal ini diilustrasikan oleh gambar 5.

CDMA menggunakan kode-kode korelatif untuk membeda-kan satu pengguna dengan pengguna yang lain. Sinyal-sinyal CDMA itu pada penerima dipisahkan dengan menggunakan sebuah korelator yang hanya melakukan proses despreading spektrum pada sinyal yang sesuai. Sinyal-sinyal lain yang kodenya tidak cocok, tidak di-despread dan sebagai hasilnya sinyal-sinyal lain itu hanya menjadi noise interferensi. Perbandingan antara FDMA, TDMA dan CDMA dapat ditunjukkan dengan gambar  6.

Gambar  6  Skema perbandingan FDMA, TDMA dan CDMA dalam domain frekuensi dan waktu

Operasi ujung ke ujung pada CDMA dapat dijelaskan sebagai berikut: pada sisi pancar, sinyal dengan bit laju rendah (misal 9,6 kbps) disebar dengan mengalikannya dengan deretan kode PN yang memiliki bit laju tinggi (misal 1,2288 Mbps). Pada proses ini terjadi penyebaran energi pada pita frekuensi yang besar. Sinyal tersebar ini kemudian dimodulasi dengan pembawa RF tertentu dan kemudian dipancarkan.

Pada sisi terima, sinyal terima didemodulasi dengan mengalikannya dengan pembawa RF yang sama. Kemudian sinyal ini di-despread dengan mengalikannya dengan deretan kode PN yang sama seperti pada sisi kirim. Sinyal yang telah di-despread
ini kemudian dilewatkan pada detektor bit untuk memperoleh speechdigital asal.

2.1  Multiuser pada  Arah  Forward (Base Station ke Mobile Station)

Pada operasi forward, base station membangkitkan aliran data untuk             masing-masing mobil b₁, kemudian aliran data ini dikalikan dengan deretan kode     direc-sequence-nya masing-masing c₁(t). Kemudian semua data terkode itu dijumlahkan. Contoh untuk mobile station pada arah forward dapat ditunjukkan pada gambar untuk tiga mobil.

, kemudian hasil penjumlahan dari sinyal tersebar ini dimodulasi dengan   sebuah   pembawa,   sehingga   diperoleh cos w_ct, kemudian sinyal ini dipancarkan; Sinyal tersebar pada penerima mobil, i, adalah zi(t) + noise, dimana:

                                                 (15)

yang terdiri dari sinyal yang diinginkan ditambah dengan sinyal dari pengguna lain. Setelah perkalian dengan pembawa yang koheren (phasa f_i diperkirakan oleh penerima) kemudian dengan deretan kode direct-sequence lokal yang dibangkitkan yang              merupakan replika dari sinyal yang diinginkan dengan sinkronisasi yang sempuma (penerima memperkirakan delay t_i) maka akan diperoleh sinyal b_i (t-t_i).

c_i(t-t_i).c_i(t-t_i) = c_i²(t-t_i) = l                                                                                  (16)

Hasil keluaran multiplier adalah sinyal yang diinginkan b_i(t-t_i) ditambah interferensi yang berasal dari pengguna lain. Idealnya, integrator, sebuah integrate-and-dump dengan waktu Tb detik, akan menghasilkan cross correlation antara sinyal yang diinginkan dan interferensi sama dengan nol. Sehingga output dari mobile station i adalah proporsional dengan aliran data yang dipancarkan, b_i(t-t_i).

IS-95 menggunakan deretakn kode yang berbeda-beda un-tuk mengidentifikasi panggilan. Ada deretan yang dipakai untuk mengjdentifikasi base station yang sedang melayani dan ada juga deretan yang digunakan untuk mengidentifikasi panggilan yang ditangani oleh base station. Identifikasi base station dilakukan de-ngan menggunakan deretan pseudo noise yang berbeda offsetnya saru sama lain (PN-1, PN-2, PN-3, ...). Pada IS-95 deretan kode ini disebut Pilot PN Sequence. Base station yang berbeda ditandai dengan offset Pilot PN sequence yang berbeda. Panggilan pada for-ward pada suatu sel ditandai dengan deretan kode yang disebut fungsi Walsh (Wi, W2, W3,....) yang     masing-masing unik dan diulang dari sel ke sel. Urutan perlakuan sinyal adalah sebagai berikut:

•           Data pelanggan berupa speech digital dikalikan dengan fungsi Walsh ortogonal.   IS-95 menyarankan pengguna 64 fungsi Walsh ortogonal pertama.

•           Data pelanggan ini disebar oleh kode PN dari base station {Pilot PN Sequence) kemudian dipancarkan dengan gelom-bang pembawa tertentu.

•           Pada penerima mobile station, dilakukan perkalian dengan kode PN yang telah disinkronisasi (setelah gelombang pembawa koheren dihilangkan), akan mengubah sinyal dari sel lain menjadi interferensi.

•           Perkalian dengan fungsi Walsh yang sudah disinkronkan untuk pengguna-i akan menghilangkan interferensi dari peng-guna lain yang berasal dari sel yang sama.

Pada arah reverse fungsi Walsh tidak digunakan untuk identifikasi panggilan karena setiap mobile station pada sel yang sama akan mengalami delay yang berbeda-beda dan fungsi Walsh yang diterima tidak akan tersinkronisasi. Fungsi Walsh yang sudah mengalami pergeseran waktu satu dengan yang lain tidak akan menghasilkan korelasi sama dengan nol. Gambar 7 menunjukkan bagaimana penggunaan deretan kode PN dan fungsi Walsh untuk identifikasi pada arah forward.

Gambar 7 Fungsi walsh dan kode offset pada sisi kirim dan terima

2.2  Multiuser pada Arah Reverse {Mobile Station ke BaseStation)

Mobile station membangkitkan source data dan kode DS, yang masing-masing dikalikan dengan deretan datanya masing-masing (b_i). Masing-masjng data yang sudah terkode itu (y_i), dikalikan dengan pembawa untuk memperoleh b_i(t)c_i(t) cos(W_ct + a_i). Sinyal tersebar ini tiba pada base station sebagai jumlah dari sinyal-sinyal tersebar dari masing-masing mobile station ditambah noise, atau dapat dituliskan untuk contoh tiga mobile station:

Gambar 8 Multiuser pada sistem reverse

Phasa f_i, adalah phasa a_i yang berubah di base station akibat delay t_i. Diasumsikan bahwa base station mengetahui phasa f_i (demodulasi koheren) dan sinkronisasi waktu untuk masing-masing pengguna sempurna (t_i diketahui).

Jika dimisalkan ada M mobile station, maka akan diperoleh z(t) :

Z(t) = A_ic_i(t-t_i)b_i(t-t_i)cos(v_ct + f_i) + (M – l) interferensi + noise                       (17)

Perkalian dengan cos(v_ct + f_i) menghasilkan (A_i / 2)c_i(t-t_i)b_i(t-t_i). Setelah itu dilakukan proses despreading dengan c_i(t-t_i) dimana c_i(t-t_i).c_i(t-t_i) = l. Keluaran dari multiplier adalah sinyal data b_i(t-t_i) ditambah dengan interferensi oleh pengguna lain. Integrator akan menghasilkan cross-correlation ahtara sinyal yang di-inginkan dengan interferensi sama dengan nol. Panggilan pada arah reverse diindentifikasikan oleh deretan kode PN yang unik untuk masing-masing pelanggan.

2.3  Perfomansi Teoritis Kanal Reverse CDMA

Sepanjang perbandingan sinyal terhadap interferensi untuk masing-masing pengguna cukup, para pengguna akan mempunyai kualitas suara yang baik, tetapi kualitas suara itu akan menurun apabila jumlah pengguna ditambahkan pada kanal, jadi penambahan pengguna akan menurunkan perbandingan sinyal terhadap noise untuk semua pemakai. Analisis kasus terbaik dapat dilakukan dengan asumsi hanya ada satu sel, dan power conrrol bekerja dengan ideal sehingga semua sinyal tiba di base station dengan kuat yang sama. Dapat ditentukan perbandingan smyal terhadap noise sebagai fungsi jumlah pengguna.

1.    Perbandingan sinyal terhadap noise, E_b / N_b berhubungan dengan perbandingan sinyal terhadap interferensi keluaran. Jika A_i adalah amplitudo sinyal yang diinginkan, A_i adalah amplitudo dari sinyal interferensi dari pengguna i, E_b adalah energi bit terima, dan N_T adalah kerapatan spektral noise total.

Dalam sistem digital, seperti TDMA maupun CDMA, speech dikodekan menjadi data digital yang disebut frame, durasi frame ini 20 ms. Frame ini dipancarkan dan kemudian didekodekan kembali menjadi sinyal speech pada penerima. Kualitas dari pro-ses dekode merupakan fungsi perbandingan sinyal terhadap interferensi dari frame yang diterima, apabila perbandingan sinyal terhadap interferensi menurun, kemungkinan untuk memperoleh frameyang salah meningkat. Pada prakteknya, unruk perbandingan sinyal terhadap interferensi sekitar 6 dB akan diperoleh FER (frame error rate) sekitar 1%, dan untuk perbandingan sinyal ter-hadap interferensi sekitar 2-3 dB, akan diperoleh FER sekitar 70%.

Kualitas suara yang diperoleh berhubungan langsung dengan FER ini. Dalam prakteknya perbandingan sinyal terhadap noise yang lebih besar dari 6 dB sudah dapat diterima pengguna.

2,3  Masalah-masalah   Penerapan   CDMA   dalam   Komunikasi Selular

1.  Masalah Near-Far

Masalah utama dalam implernentasi direct-sequence CDMA adalah masalah    'near-far'. Masalah ini terjadi karena semua sinyal dipancarkan pada pita frekuensi yang sama dan dalam waktu yang sama, sehingga daya dari mobile station yang lebih kuat akan menutupi daya dari mobile station yang lebih lemah.

Jika dimisalkan ada M mobile station dalam suatu lingkungan akses jamak yang masing-masing berbeda jaraknya terhadap penerima, misalkan penerima mencoba untuk mendeteksi sinyal dari mobil-i yang berjarak lebih jauh dari mobile station-j maka untuk daya pancar yang sama sinyal-j akan tiba di penerima lebih kuat dan akan menutupi sinyal-i.

Pembatas dari performansi sistem dan jumlah mobilestation yang dapat berbicara secara bersama-sama adalah fungsi dari kemampuan sistem untuk mengatasi masalah near-far ini. Level daya semua sinyal yang sampai pada penerima harus sama (atau berbeda antara 1 sampai 2 dB).

Masalah ini dapat diatasi dengan penggunaan powercontrol dinamis untuk menyamakan level sinyal terima. Jadi untuk sistem selular CDMA daya pancar     masing-masing mobile station harus dapat dikontrol (dapat berubah-ubah). Apabila semua sinyal tiba dengan level daya yang sama maka akan diperoleh kapasitas sistem maksimum untuk perbandingan sinyal terhadap interferensi tertentu.

Daya pancar dari mobile station didasarkan pada daya yang diterima. Daya terima ini tergantung pada redaman propagasi dan shadowing.

 

Gambar 10 Kontrol daya CDMA

Gambar 3.10 menunjukkan daya pancar mobile station naik atau rurun secara proporsional dengan daya terima. Akibarnya daya yang diterima pada base station relatif konstan.

1.      Multipath Fading

Dalam komunikasi selular, pada umumnya sinyal yang sampai ke antena penerima mobile station tidak hanya berasal dari sinyal lintasan langsung tetapi juga dari lintasan pantul. Jadi sinyal yang sampai itu menipakan penjumlahan dari banyak sinyal. Karena panjang setiap lintasan tidak sama maka masing-masing sinyal mengalami delay yang berbeda-beda sehingga informasi akan mengalami delay spread (Tm). Nilai tipikal dari delay spread untuk daerah urban berkisar 2-5 ms dan dapat menyebabkan interferensi intersimbol (ISI).

Multipath fading ini dapat pula menyebabkan variasi sinyal terima yang sangat besar karena sinyal-sinyal tersebut dapat saling menguatkan maupun saling melemahkan. Variasi sinyal ini disebut sebagai Rayleigh fading. Secara statistik, sinyal terima akan berada 10 dB dibawah local - mean dalam 10% lokasi dan 20 dB di bawah local mean untuk 1% lokasi. Hal ini dapat meng-akibatkan rusaknya sebagian besar informasi.

Efek lain dari multipath ini adalah akibat dari pergerakan mobile station yang menyebabkan frekuensi sinyal terima bergeser dari frekuensi asal (efek Dopler). Besarnya pergeseran nilai frekuensi ini merupakan fungsi dari arah gerak dan kecepatan mobile station.

 

Gambar 11 Sinyal Multipath

Efek dari deJay spread teihadap performasi CDMA dapat di-tunjukkan dengan contoh berikut. Ada dua lintasan masing-ma-sing lintasan -a dan lintasan -b. Misalkan penerima disinkronkan dengan delay waktu {t_a) dan phasa lintasan-a. Akan ditinjau      pengaruhnya apabila delay waktu kedua lintasan lebih besar atau lebih kecil dari waktu chip (Tc).

Delay spreadlebih besar dari waktu chip (D > Tc)

Fungsi korelasi dari kode PN, jika delay waktu antar lintasan lebih besar dari Tc adalah mendekati nol. Maka, jika perbeda-an delay dari dua lintasan melebihi waktu chip, sinyal dari lintasan-b hanya akan berfungsi sebagai interferensi biasa dan akan ditekan oleh processing gain, G = T_b / T_c seperti ditun-jukkan oleh persamaan 3.20.

dimana:     M  = jumlah pengguna

A_j  = amplitudo terima lintasan - a

B_j  = amplitudo terima lintasan - b (versi delay)

E_b  = energi per bit terima

N_t  = rapat spektral noise total

G   = processing gain (G = T_b / T_c)

      Delay spread lebih kecil dari waktu chip (D < T_c)

Apabila lintasan - b memiliki delay'yang lebih kecil dari T_c maka lintasan - b ini tidak ditekan oleh processing gain dan dapat mengakibatkan interferensi yang sangat merusak. Waktu chip apabila bit laju 1,23 Mbps adalah 1 / 1,23 ms » 1 ms. Jadi sinyal yang berasal dari lintasan lain akan membahayakan jika delay spreadnya lebih kecil dari 1 ms, tetapi dalam komunikasi selular biasanya nilai delay spread sinyal lebih besar dari 1 ms.

1.1   Rake Receiver untuk Peningkatan Performansi

Karena adanya multipath maka akan diperoleh tambahan noise pada sistem apabila delay spread lebih besar dari waktu chip. Peningkatan performansi dapat dilakukan apabila lintasan-lintasan yang tiba pada penerima dapat dideteksi secara terpisah dan kemudian digabungkan secara koheren (disamakan phasanya). Penerima seperti ini disebut sebagai rake receiver.

Cara kerja rake receiver ditunjukkan oleh gambar 12. Misalkan sinyal yang sampai pada mobile station 1, z(t) merupakan penjumlahan dari N lintasan sinyal. Untuk lintasan 2 perkali-an z(t) dengan c_j(t-D₂), kemudian integrasi dimulai pada ₂, selama   Tb detik akan menghasilkah respon untuk lintasan 2. Hal yang sama dilakukan untuk semua lintasan kemudian respon semua lintasan dijumlahkan setelah phasanya disamakan. Rake receiver ini akan menghasilkan sinyal yang lebih kuat untuk proses demodulasi

1.    SIFAT-SIFAT CDMA

1.       Multi Diversitas

Pada sistem pita sempit seperti modulasi analog FM yang digunakan dalam generasi pertama dalam sistem selular, adanya muitipath fading akan menghasilkan fading yang sangat besar. Dengan modulasi CDMA yang merupakan modulasi pita lebar.          Sinyal-sinyal yang berbeda lintasan (multipath) dapat diterima secara terpisah dengan rake receiver hal ini menyebabkan berkurangnya efek dari multipath fading. Meskipun demikian multipath fading ini tidak benar-benar dapat dihilangkan karena ada multipath yang tidak dapat diproses oleh demodulator, multipath seperti ini kadang-kadang dapat muncul dan menghasilkan fading.

 Diversitas adalah usaha untuk mengurangi fading. Ada tiga tipe diversitas yang sering digunakan y'aitu diversitas waktu, frekuensi, dan ruang. Diversitas waktu dapat dilakukan dengan jalan interleaving dan koreksi kesalahan. Dalam sistem CDMA   diversitas frekuensi dilakukan dengan menyebar spektrum pada pita frekuensi yang jauh lebih besar. Efek dari fading pada spektrum frekuensi biasanya hanya mempengaruhi 200-300 Khz bagian dari sinyal. Diversitas ruang dapat diperoleh dengan tiga cara yaitu:

•           Multiple sinyal dari dua atau lebih sel site (soft handoff)

•           Dengan menggunakan penerima rake yang memungkinkan sinyal yang tiba dengan delay propagasi yang berbeda diterima secara terpisah kemudian digabungkan

•           Multiple antena pada sel site

Tipe diversitas yang berbeda yang digunakan pada CDMA meningkatkan performansi sistem seperti diperlihatkan pada gam-bar 3.13 dapat disimpulkan:

•           Diversitas waktu: interleaving simbol, deteksi dan koreksi kesalahan

•           Diversitas frekuensi: sinyal dengan pita frekuensi yang lebar 1,25 Mhz

•           Diversitas ruang: antena penerima lebih dari satu, penerima rake dan multiple sel site (handoff)

Diversitas pada CDMA ditunjukkan oleh gambar 13

Gambar 13 Diversitas pada CDMA

1.      Daya Pancar yang Rendah

Disamping peningkatan kapasitas secara langsung, hal lain yang penting adalah menurunnya E_b/N₀ yang dibutuhkan untuk mengatasi derau dan interferensi. Ini berarti penurunan level daya pancar yang dibutuhkan. Penurunan ini menyebabkan berkurang-nya biaya dan memungkinkan mobile station dengan daya yang rendah beroperasi pada jarak yang lebih jauh dibanding pada analog atau TDMA untuk level daya yang sama. Lebih jauh lagi, pengurangan persyarntan daya pancar akan meningkatkan kemampuan pencakupan sel dan berarti pengurangan jumlah sel yang dibutuhkan untuk mencakup wilayah tertentu.

Keuntungan lain yang diperoleh adalah pengurangan daya rata-rata yang dipancarkan sebagai akibat realisasi kontrol daya pada CDMA. Pada sistem pita sempit, harus selalu dipancarkan daya yang cukup untuk mengatasi fading yang muncul tiba-tiba. CDMA menggunakan kontrol daya untuk menyediakan daya yang dibutuhkan hanya pada waktu dibutuhkan, level daya yang tinggi dipancarkan hanya pada saat ada fading, sehingga mengurangi daya rata-rata yang ditransmisikan.

Daya pancar yang rendah itu disebabkan pula karena adanya pemanfaatan deteksi aktivitas suara, dimana data informasi dipancarkan dengan laju yang tinggi hanya pada saat ada pem-bicaraan sedangkan pada saat jedah laju data yang dipakai rendah.

i.                  Keamanan (Privacy)

Bentuk pengacakan sinyal pada sistem CDMA memungkinkan tingkat privacy yang tinggi dan membuat sistem digital ini kebal terhadap cross-talk. Meskipun sistem CDMA sudah me-miliki tingkat privacy yang tinggi, sistem ini masih tetap mungkin untuk dikembangkan dengan menggunakan teknik pengacakan {encryptiori) yang ada.

ii.                  SoftHandoff

Soft handoft'memungkinkan kedua sel, baik sei asal ataupun sel baru untuk melayani mobile station secara bersama-sama selama transisi handoff. Transisinya adalah ketika mobile station bergerak dari sel asal ke sel baru dan akhirnya berada di sel baru.

Hal ini dimungkinkan karena semua sel memakai frekuensi kerja yang sama. Soft handoff selain mengurangi kemungkirtan putus-nya pembicaraan juga menyebabkan proses handoff berjalan dengan halus sehingga tidak menganggu pengguna. Dalam sistem analog dan digital TDMA dilakukan pemutusan hubungan se-belum fungsi switching berhasil dilakukan {break - before-make switching function) sementara pada CDMA hubungan dengan sel lama tidak diputuskan sampai mobile station benar-benar mantap dilayani oleh sel yang baru {make - before - break switching function).

Setelah sebuah panggilan dilakukan, mobile station selalu mencek sel-sel tetangga untuk menentukan apakah sinyal dari sel yang lain cukup besar jika dibandingkan dengan sinyal dari sel asal. Jika hal ini terjadi, ini merupakan indikasi bahwa mobile station telah memasuki daerah cakupan sel yang baru dan handoff dapat mulai dilakukan. Mobile station mengirim pesan {control message) ke MTSO yang menunjukkan sinyal dari sel baru semakin menguat. MTSO melakukan handoff dengan menyediakan sebuah link kepada mobile station melalui sel baru tetapi Link yang lama tetap dipertahankan. Sementara mobile station berada pada daerah perbatasan antara kedua sel, panggilan dilayani oleh kedua sel site, hal ini menyebabkan berkurangnya efek ping -pong atau mengulang permohonan untuk menangani kembali panggilan diantara kedua sel site. Sel asal akan memutuskan hubungan jika  mobile station  sudah  sungguh-sungguh  mantap dilayani oleh sel yang baru.

iii.                  Kapasitas

Pada pengulangan frekuensi selular, interferensi dapat diterima dengan tujuan meningkatkan kapasitas tetapi interferensi ini harus dikendalikan. Sifat CDMA yang lebih mentolerir interferensi membuat pengulangan frekuensi dilakukan dengan efektif. Pada modulasi pita sempit, pengulangan frekuensinya tidak efektif karena persyaratan untuk memperoleh C/I sekitar 18 dB. Hal ini membutuhkan kanal yang dipakai dalam satu sel tidak boleh dipakai oleh sel yang berdekatan. Pada CDMA kapasitas yang besar diperoleh terutama karena frekuensi yang sama dapat dipakai oleh semua sel.

iv.                  Deteksi Aktivitas Suara

Pada komunikasi full duplex dua arah, aktivitas percakapan {duty cycle) biasanya hanya sekitar 40%, sisa waktu lainnya dipakai untuk mendengar. Hal ini ditunjukkan oleh gambar 14. Karena pada CDMA semua pengguna memakai kanal yang sama, maka bila ada pengguna-pengguna yang tidak sedang berbicara akan menyebabkan berkurangnya interferensi total kira-kira 60%. Penurunan interferensi itu terjadi karena dimungkinkannya mengurangi laju transmisi ketika tidak ada percakapan sehingga      mengurangi interferensi yang secara langsung meningkatkan kapasitas. Hal ini juga berakibat berkurangnya daya rata-rata yang dipancarkan oleh mobile station.

Gambar 14 Rata-rata siklus pembicaraan (spurt) dan jeda (pause)

i.                  Peningkatan Kapasitas dengan Sektorisasi

Pada FDMA dan TDMA sektorisasi dilakukan untuk mendapatkan persyaratan C / I (mengurangi interfernsi). Sebagai akibatnya efisiensi trunking dari kanal-kanal yang dibagi-bagi pada setiap sektor menurun. Pada CDMA sektorisas; digunakan untuk meningkatkan kapasitas. Dengan membagi sel menjadi tiga sektor maka diperoleh kapasitas hampir tiga kalinya.

ii.                  Soft Capasity

Pada sistem selular sekarang, spektrum yang ada dibagi-bagi oleh sel-sel, misalkan pada sistem FM analog tiga sektor terdapat maksimum 57 kanal. Apabila permintaan akan pelayanan meningkat, pemanggil ke-58 harus diberikan sinyal sibuk. Tidak ada cara yang dapat dilakukan untuk menambah satu sinyalpun pada kondisi semua kanal terpakai. Pada sistem CDMA, hubung-an antara jumlah pengguna dengan tingkat pelayanan (grade of service) tidak begitu tajam, sebagai contoh, operator dari sistem dapat mengijinkan meningkatnya bit error rate sampai batas toleransi tertentu dengan demikian terjadi peningkatan jumlali pelanggan yang dapat dilayani selama jam tersibuk. Kemampuan ini sangat berguna khususnya untuk mencegah terjadinya pemutusan pembicaraan pada proses handoff karena kekurangan kanal. Pada CDMA, panggilan tetap dapat dilayani dengan peningkatan bit error rate yang masih dapat diterima sampai panggilan lain berakhir.

b.           KAPASITAS RADIO SELULAR CDMA

Dalam selular CDMA ada dua buah nilai CIRF (Co-channel interference reduction factor) masing-masing disebut adjacent CIRF, q_a = direct-sequence / R = 2, ini berarti kanal radio yang sama dapat digunakan pada sel-sel bertetangga secara langsung. CIRF yang lain disebut self-CIKF, q_s = 1, ini berarti deretan kode yang berbeda menggunakan kanal radio yang sama untuk membawa kanal trafik yang berbeda. Kedua nilai CIRF ditunjukkan oleh gambar 15. Karena harga CIRF yang rendah, sistem CDMA ini memiliki efisiensi frekuensi yang paling baik dibandingkan sistem yang lain.

Gambar 15 Ilustrasi dari dua harga CIRF.

C / I yang diterima pada penerima berhubungan dengan E_b/I₀ baseband.

                                                                                                            (21)

dimana : E_b =  laju bit per detik

I_o = daya interferensi per Hertz

R_b = laju bit per detik

B_c =  bandwidth kanal radio dalam Hertz

Pada CDMA semua deretan kode, misalkan N buah, akan me-makai satu kanal yang sama. Di dalam satu kanal radio, satu deretan kode akan mengalami interferensi dari N-1 deretan kode lainnya. Sebagai hasilnya level interferensi selalu lebih tinggi dari level sinyal (C / I lebih kecil dari 1).

(C / I), yang dibutuhkan pada selular CDMA dapat diperoleh dari persamaan 21 jika digunakan:

B_c = 1,25 MHz, R_b - 8 kbps

Eb/Io = 7 dB diperoleh (C / I)_s = 0,032 = -15 dB

E_b /I₀ = 4,5 dB diperoleh (C /I)_s = 0,01792 = -17,5 dB

Selanjutnya akan diturunkan kapasitas radio dari sistem, dengan perhitungan berdasarkan kanal forward, kapasitas radio itu dapat ditingkatkan dengan power control.

Kapasitas Radio tanpa Power Control

Kapasitas radio dihitung dari perbandingan C//kanal for-ward (C / I)_s yang diterima oleh mobile station pada lingkaran terluar sel seperti yang ditunjukkan oleh gambar 16 adalah (interferensi dari sel lain yang sangat jauh dan oleh sumber lain diabaikan).

Dimana : A   =    interferensi dari pemakai lain dalam sel yang sama

B   =    interferensi dari dua sel tetangga terdekat

C  =   interferensi dari 3 sel intermediate range

D  =    interferensi dari 6 sel jauh (distant cells)

dan α adalah faktor konstanta, M adalah jumlah dari kanal trafik. (C / I)_s dapat diperoleh dari persamaan 2.1 sedangkan M diperoleh dari persamaan.22:

 = 0,032                                                   M = 9,736

 = 0,01792                                               M = 17,15

kapasitas radio m, adalah :

                    jumlah kanal trafik per sel                                           (23)

Dalam hal ini   K  =  /3  =  4/3=   1,33  sehingga  akan diperoleh nilai m:

 m  =   9,736 / 1,33 = 7,32 kanal trafik per sel untuk E_b/N₀=7 dB

     =   17,15 / 1,33 = 12,9 kanai trafik per sel untuk  = 4,5dB

Kapasitas dengan Power Control

Kapasitas dari sistem CDMA itu dapat ditingkatkan dengan menggunakan power control yang seeuai baik pada kanal reverse maupun pada kanal forward. Pada kanal forward, power control akan menyebabkan interferensi antara sel-sel yang berdekatan berkurang. Makin kecil interferensi yang terdapat pada suatu sel, makin besar nilai Myang diperbleh. Dari persamaan 22 apabila interferensi dari sel lain tidak ada (sel tunggal) maka (C/I)_s yang diperoleh adalah:

                                                                                     (24)

untuk :

 = 0,032                                                   M = 30,25

 = 0,01792                                               M = 54,8

dengan membandingkan persamaan 22 dan 24 dapat dilihat bahwa total kapasitas trafik M menurun drastis dengan adanya interferensi dari sel lain. Interferensi dari sel lain tidak dapat dihindari, kita hanya dapat menguranginya dengan menggunakan power control. Power control diperlukan untuk menentukan berapa daya yang diperlukan bagi mobile station yang dekat dan berapa daya yang diperlukan untuk mobile station yang jauh.

Misalkan daya pancar pada sel site untuk mobile station ke-j adalah Pj yang proporsional dengan  :

                                                                                                                                                 (25)

dimana rj adalah jarak antara sel site dengan mobile station ke-j dan n adalah suatu bilangan. Dengan menguji nilai dari n pada persamaan 3.25, diperoleh bentuk power control dengan n = 2 akan memberi kapasitas optimum 'tetapi masih memenuhi per-syaratan sinyal kanal. forward yang masih dapat menjangkau mobile station pada near-end yang berjarak rj dari sel site dengan pe-ngurangan daya.

                                                                                                                  (26)

dengan P_R adalah daya yang dibutuhkan untuk mencapai mobile station yang berada pada Iingkaran terluar R. Jika M buah mobile station dilayani oleh M kanal trafik dari semua mobile station diasumsikan teridistribusi merata pada sebuah sel. Maka:

                                                                       (27)

dimana  . Ada L grup mobilestation; masing-masing L adalah daerah-daerah lingkaran yang mengelilingi sel site dalam sebuah sel. M₁ adalah jumlah dari mobile station yang berada pada grup ke-1 yang tergantung pada lokasinya dan k adalah konstanta. Daya pancar total dari sel site  adalah:

                                                    (28)

karena r_L adalah jarak dari sel site ke lingkaran luar sel, r_L = R maka persamaan 28 menjadi:

                                                                                                      (29)

Jumlah total dari mobile station M dapat diperoleh sebagai:

               

                                                                                                    (30)

Dengan subtitusi 3.29 ke 3.30 diperoleh :

                                                                                                (31)

Jika daya sebesar /^diterapkan pada kanal sebanyak M maka :

                P_t = M.P_R                                                                                              (32)

Dengan membandingkan persamaan 31 dan 32 diperoleh daya pancar total berkurang setengahnya apabila digunakan power control. (C/I)_s dari mobile station yang berjarak r_o dan dekat sel site adalah:

                                                                   (33)

dalam hal ini interferensi dari sel yang lain diabaikan.

(C / I)_s dari  mobile  station yang berjarak  R  (terletak pada lingkaran terluar) adalah:

                                                                                                         (34)                        

Nilai M dan m dapat dicari dari persamaan 34 dengan memakai kontrol daya:

M = 18,87     m = 14,19     untukC/I = 0,032 (-15 dB)

M = 23,7      m = 28,33     untuk C/I = 0,01792 (-17 dB)                              (35)

Nilai dari (C/I), yang diterima pada mobile station pada jarak r_o dapat dihitung dari persamaan 33, nilai ini harus memenuhi persamaan 3.34:

                                        (36)

Ratio pengurangan daya (r_o / R)² pada persamaan 36 tidak dapat kurang dari 0,302 untuk mobile station yang berlokasi kurang dari r_o = 0,55 R. Jika diset daya terendah pada 0,302 Pr, daya total menjadi:

                                                                                         (37)

untuk r_o/R = 0,55, maka (r_o/R)⁴ = 0,0913

daya pancar P_t pada persamaan 37 harus diatur sebagai :

                                          (38)

Persamaan 38 menunjukkan bila daya terendah per kanal trafik dibuat 0,302 Pr untuk melayani mobile station dengan jarak lebih kecil atau sama dengan r_o, r_o = 0,55R, maka daya total pada sel site meningkat dengan faktor 1,0913 jika dibandingkan dengan pada persamaan 29. Dengan daya yang terukur P_t pada persamaan 29 maka harga M dan m yang sebenarnya berkurang menjadi:

     m = 13             untuk C/I = 0,032

        m = 125,96      untuk C/I = 0,01792               (39)

Dengan membandingkan persamaan 35 dengan 39 diperoleh perbedaan yang tidak berbeda jauh. Jadi bila pengaturan daya pancar minimal dilakukan hasilnya tidak berbeda jauh. Semua kapasitas radio yang didapat belum memanfaatkan deteksi akti-vitas suara dan sektorisasi yang umum dilakukan pada penerapan secara komersial.

Posted in: Sistem Komunikasi Berbasis Selular